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·“目前尚無人源性SpV模型，這限制了對人體內(nèi)SpV核團(tuán)發(fā)育、功能及其病理機(jī)制的研究。因此，構(gòu)建SpV類器官將為研究人類大腦提供新穎且重要的（有時甚至是唯一的）窗口。例如，如果希望在人源遺傳背景下研究SpV核團(tuán)，目前尚無其他有效的方法供選擇。”
腦科學(xué)是生命科學(xué)研究的重要領(lǐng)域之一，在理解人腦、干預(yù)腦疾病以及開發(fā)人工智能等方面具有重要作用。在過去，研究大腦主要借助模式動物和二維細(xì)胞培養(yǎng)等模型的方式。近年來，腦類器官的出現(xiàn)為探索人腦奧秘提供了新的機(jī)遇。
類器官（organoid），即類似于真實(shí)器官的微型模型，通過對多能干細(xì)胞或者成體細(xì)胞進(jìn)行體外三維培養(yǎng)，自組織形成，與人體器官結(jié)構(gòu)高度相似，并能復(fù)現(xiàn)被模仿器官的部分功能。近年來，類器官領(lǐng)域發(fā)展迅速，腦類器官已被廣泛應(yīng)用于研究腦發(fā)育、遺傳性腦發(fā)育疾病、神經(jīng)退行疾病等領(lǐng)域。
但是，人類大腦是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，針對特定腦亞區(qū)及腦核團(tuán)構(gòu)建特異的腦類器官模型仍面臨許多挑戰(zhàn)。近年來，盡管多種基于定向分化的腦區(qū)特異類器官已成功建立，但國際上關(guān)于在體外重現(xiàn)具備核團(tuán)特征的腦類器官的研究進(jìn)展仍有限。
上?？萍即髮W(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院向陽飛課題組構(gòu)建了脊髓三叉神經(jīng)核團(tuán)（Spinal trigeminal nucleus ，SpV）特異的人腦類器官，并完成了核團(tuán)相關(guān)的腦區(qū)間連接體外模型的構(gòu)建，2024年8月28日，該研究在線發(fā)表于《細(xì)胞-干細(xì)胞》（Cell Stem Cell）雜志。
構(gòu)建脊髓三叉神經(jīng)核團(tuán)類器官
近日，向陽飛向澎湃科技表示，目前針對后腦區(qū)域的類器官構(gòu)建方法較少，尤其缺乏具有核團(tuán)特異性的后腦類器官模型。脊髓三叉神經(jīng)核團(tuán)（SpV）是位于后腦的最大顱神經(jīng)核，也是三叉神經(jīng)核的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)接收并傳遞外周感覺信息至上行的其他腦區(qū)。SpV在處理和調(diào)節(jié)感覺信息及介導(dǎo)相關(guān)的病理機(jī)制方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
“目前尚無人源性SpV模型，這限制了對人體內(nèi)SpV核團(tuán)發(fā)育、功能及其病理機(jī)制的研究。因此，構(gòu)建SpV類器官將為科研人員提供一個更為便捷的工具，以探索相關(guān)問題。它將為研究人類大腦提供新穎且重要的（有時甚至是唯一的）窗口。例如，如果希望在人源遺傳背景下研究SpV核團(tuán)，目前尚無其他有效的方法供選擇?！毕蜿栵w說。
“目前針對絕大多數(shù)腦核團(tuán)尚未建立類器官模型。”向陽飛表示，除了此次報道的研究外，國際上已有的報道僅包括向陽飛團(tuán)隊(duì)此前建立的丘腦核團(tuán)類器官和美國賓夕法尼亞大學(xué)（University of Pennsylvania）Guo-li Ming團(tuán)隊(duì)報道的下丘腦核團(tuán)類器官。向陽飛說，目前構(gòu)建腦核團(tuán)類器官所面臨的主要挑戰(zhàn)有兩個方面：首先，針對眾多腦核團(tuán)的發(fā)育過程，尚缺乏系統(tǒng)性的認(rèn)識；其次，如何在體外精確調(diào)控干細(xì)胞的分化，以重現(xiàn)腦核團(tuán)在體內(nèi)的發(fā)育調(diào)控需要大量的探索。
為建立特異模擬SpV的腦類器官，研究人員解析了SpV類器官的特征及其細(xì)胞譜系發(fā)育過程。他們還發(fā)現(xiàn)，SpV神經(jīng)元在長期培養(yǎng)中自發(fā)形成軸突束結(jié)構(gòu)——這是一種神經(jīng)細(xì)胞的長突起，可以延伸到腦內(nèi)其他區(qū)域，與其他神經(jīng)細(xì)胞形成連接，從而傳遞神經(jīng)信號，表明SpV神經(jīng)元具有在腦類器官中模擬其在真實(shí)大腦中的連接和功能的能力。
研究人員對SpV類器官和丘腦類器官進(jìn)行了融合培養(yǎng)，以在體外模擬SpV與丘腦之間的連接。結(jié)果顯示，SpV神經(jīng)元向丘腦側(cè)投射的能力顯著強(qiáng)于丘腦神經(jīng)元向SpV區(qū)域的投射能力。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過不同的融合組合，如SpV類器官與丘腦類器官的融合、SpV類器官與皮層類器官的融合、以及丘腦類器官與皮層類器官的融合，分析了不同神經(jīng)組織間建立投射的特征。這些投射特征與體內(nèi)不同腦區(qū)間的連接特征相一致。此外，通過逆行示蹤、光遺傳、鈣成像、電極刺激與記錄等多種研究手段，研究人員進(jìn)一步證實(shí)了在融合類器官中，SpV細(xì)胞與丘腦細(xì)胞之間建立了連接。
向陽飛告訴澎湃科技，研究過程中最困難的是找到最合適的類器官分化條件。針對這個問題，向陽飛團(tuán)隊(duì)基于發(fā)育生物學(xué)原理做了大量的設(shè)計(jì)與測試。此外，腦類器官培養(yǎng)周期一般長達(dá)數(shù)月，實(shí)驗(yàn)周期較長，也是一個問題，“需要大量的耐心”。
未來，向陽飛團(tuán)隊(duì)計(jì)劃開展更多功能研究，以分析SpV-丘腦融合類器官中兩種神經(jīng)組織之間的功能連接以及在發(fā)育過程中對彼此的影響。他們還將應(yīng)用SpV類器官及融合類器官模型于發(fā)育與病理機(jī)制研究。
腦類器官與真實(shí)人腦的差異
向陽飛介紹，腦類器官已被廣泛應(yīng)用于研究腦發(fā)育、遺傳性腦發(fā)育疾病、神經(jīng)退行疾病、腦進(jìn)化、再生醫(yī)學(xué)、腦腫瘤以及病原體感染等領(lǐng)域。十年前，關(guān)于腦類器官的報道每年僅十余篇，而如今這一數(shù)字已增至每年約500篇，其中大部分研究都是利用腦類器官探討各種生物學(xué)和醫(yī)學(xué)問題。
腦類器官的局限性在于，它并不能替代人腦，“實(shí)際上，構(gòu)建腦類器官的目的本身也并非為了替代人腦。我們希望盡量在體外培育出能夠更好地體現(xiàn)人腦關(guān)鍵特征的培養(yǎng)物，為研究人腦提供一種更便捷和可及的窗口，這對深入了解人腦中的生物學(xué)機(jī)制至關(guān)重要?！毕蜿栵w說，其團(tuán)隊(duì)此次構(gòu)建的SpV特異的人腦類器官也無法完全替代人體內(nèi)對應(yīng)的組織，然而從細(xì)胞組分、空間自組織及功能等方面重現(xiàn)體內(nèi)腦組織的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其發(fā)育過程，依然是技術(shù)發(fā)展中的重要一步。
“為了更好地呈現(xiàn)人腦特征，腦類器官仍需解決許多技術(shù)上的局限性。其中一個備受關(guān)注的挑戰(zhàn)就是如何實(shí)現(xiàn)腦類器官的功能性血管化，以便更好地在體外維持神經(jīng)組織的長期發(fā)育與成熟?！毕蜿栵w說。
據(jù)悉，腦類器官長到幾毫米之后就會停止生長，原因是沒有提供氧氣和營養(yǎng)的血管。目前，大多數(shù)科學(xué)家研制的腦類器官尚未形成功能性血管網(wǎng)絡(luò)。向陽飛說，這也是他們團(tuán)隊(duì)正在嘗試解決的問題。
盡管腦類器官與真正的大腦相差甚遠(yuǎn)，但一個倫理問題已經(jīng)受到關(guān)注：“培養(yǎng)皿中的類大腦”會最終產(chǎn)生意識嗎？
2020年10月，英國薩塞克斯大學(xué)（University of Sussex）認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)家Anil Seth在《自然》（Nature）的播客中表示，不能排除腦類器官產(chǎn)生意識的可能性，如果腦類器官變得足夠復(fù)雜，它們所展示的活動可能會變得更加類似于有意識的人類的活動，但問題在于我們不知道什么樣的復(fù)雜性會導(dǎo)致意識。
但大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為腦類器官不會發(fā)展出意識。向陽飛表示：“目前體外培養(yǎng)的腦類器官并不具備產(chǎn)生意識的條件。除了腦類器官本身結(jié)構(gòu)較為簡單、神經(jīng)元數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于真實(shí)大腦之外，腦類器官也缺乏與外界交互的能力。即便在體內(nèi)移植，目前也并沒有證據(jù)表明移植后的動物會產(chǎn)生人類意識。”
“實(shí)際上，基于當(dāng)前的技術(shù)水平，腦類器官出現(xiàn)意識的可能性可以忽略不計(jì)。當(dāng)然，在腦類器官技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，適當(dāng)?shù)膫惱碛懻摵苡斜匾！彼f。
參考資料：
1.https://www.nature.com/articles/d41586-020-03033-6#MO0
2.http://www.news.cn/health/2023-02/03/c_1211724659.htm
3.https://mp.weixin.qq.com/s/gr91G82oflrXlYE0Hl1Hag
4.https://doi.org/10.1016/j.stem.2024.08.004
本文鏈接：http://www.3ypm.com.cn/news-8-7201-0.html我國科學(xué)家構(gòu)建腦類器官模型，為研究人類大腦提供新窗口
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